Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος αποτελούμενου από ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος συνδεδεμένους στο δρομέα αυτής, γνωστού ως «Υποσύγχρονη Κασκάντε», το οποίο χρησιμοποιείται σε κινητήρια συστήματα ισχύος της τάξης 1-20 MW. Ιδιαίτερα εστιάστηκε στη μελέτη των ταλαντώσεων της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, οι οποίες οφείλονται στην ύπαρξη του ανορθωτή στο κύκλωμα του δρομέα, και το πώς επηρεάζονται ποσοτικά οι ταλαντώσεις αυτές από την ταχύτητα περιστροφής και τα παραμετρικά στοιχεία της μηχανής. Ακόμα, διερευνάται η ταλάντωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής στην περίπτωση ανοιχτοκυκλωμάτων ή βραχυκυκλωμάτων στις διόδους του ανορθωτή στο κύκλωμα του δρομέα. Μελετούνται οι ενδεχόμενες επιπτώσεις των ταλαντώσεων της ροπής στο μηχανικό σύστημα, καθώς και το πώς θα πρέπει να σχεδιασθεί το μηχανικό σύστημα προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα και αστοχίες λόγω στρεπτικών ταλαντώσεων. Επιπλέον γίνεται μια συστηματική διερεύνηση μεθόδων επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος για τη διάγνωση σφαλμάτων σε ασύγχρονες μηχανές ή ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος, προτείνονται βελτιωμένες μέθοδοι και μελετάται η δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή ή τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος της υποσύγχρονης Κασκάντε μέσω της ανάλυσης του ρεύματος του δρομέα. Πιο αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή και αναφέρονται οι στόχοι και η γενική δομή της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια σύντομη περιγραφή της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας και ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της υποσύγχρονης Κασκάντε, αναδεικνύοντας και τις ομοιότητες και διαφορές αυτής με την ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του υπό διερεύνηση κινητήριου συστήματος σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος και περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του καθώς και ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται ο έλεγχος της ροπής και των στροφών της ασύγχρονης μηχανής. Επιπλέον γίνεται και μια βιβλιογραφική διερεύνηση σχετικά με τις παραλλαγές του συστήματος αυτού, δηλαδή κάποιες τροποποιήσεις του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ή/και της ασύγχρονης μηχανής που έχουν προταθεί κατά καιρούς, καθώς και ποιες από τις τοπολογίες χρησιμοποιούνται στην πράξη στην πλειοψηφία των εγκατεστημένων συστημάτων. Στο κεφάλαιο 3 διερευνάται μέσω προσομοίωσης στο Matlab/Simulink η λειτουργική συμπεριφορά ενός συστήματος ισχύος 4 MW, εγκατεστημένου σε ελληνική τσιμεντοβιομηχανία. Αρχικά γίνεται η διατύπωση των εξισώσεων για την μοντελοποίηση της ασύγχρονης μηχανής στο φυσικό σύστημα a-b-c καθώς και στο σύστημα d-q-o. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του συστήματος d-q-o για την προσομοίωση της ασύγχρονης μηχανής αλλά και για τη θεωρητική διερεύνηση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών αυτής. Για το σύστημα που εξετάζεται επιλέγεται ένα σύστημα d-q-ο στερεωμένο στο δρομέα, αφού εκεί βρίσκεται ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, ώστε να διευκολυνθούμε στην ανάλυση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος. Στη συνέχεια, παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διάφορες τιμές της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής. Αφού αναλύεται η γενική συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών της ασύγχρονης μηχανής, γίνεται ιδιαίτερη αναφορά, θεωρητική διερεύνηση και συζήτηση σχετικά με τη συμπεριφορά του συστήματος σε ολισθήσεις πολλαπλάσιες του 1/6. Ακόμα, διερευνώνται οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ταλάντωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής και το μέγεθος αυτής της ταλάντωσης σε όλο το εύρος της συνήθους περιοχής ταχυτήτων όπου λειτουργεί το σύστημα. Τέλος, γίνεται διερεύνηση της προαναφερθείσας ταλάντωσης όταν μεταβάλλονται τα παραμετρικά στοιχεία της ασύγχρονης μηχανής από την οποία προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων αυτών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου 3 διατυπώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό τμήμα του υπό διερεύνηση κινητήριου συστήματος, θεωρώντας ένα μοντέλο τεσσάρων μαζών και γραμμικότητα του μηχανικού συμπλέκτη. Γίνεται μια θεωρητική διερεύνηση των στρεπτικών ταλαντώσεων από την οποία προκύπτουν χρήσιμες γενικές κατευθύνσεις με βάση τις οποίες θα πρέπει να σχεδιασθεί το μηχανικό τμήμα. Κατόπιν παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του εγκατεστημένου συστήματος. Στη συνέχεια διατυπώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό τμήμα αν ληφθεί υπόψη και η μη γραμμικότητα της στιβαρότητας του μηχανικού συμπλέκτη και παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με βάση τις εξισώσεις αυτές. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ισχύος 5,5 kW στο εργαστήριο. Στην πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες μέτρησης όλων των ηλεκτρικών μεγεθών και επιπλέον αισθητήρες μέτρησης της ροπής (επιμηκυνσιόμετρο) αλλά και των κραδασμών του κινητήρα (επιταχυνσιόμετρο). Αφού περιγράφεται η δομή του εργαστηριακού συστήματος, παρατίθενται τα αποτελέσματα της πειραματικής διερεύνησης, τα οποία επιβεβαιώνουν τα βασικά συμπεράσματα του προηγούμενου κεφαλαίου, όσον αφορά τη συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών της ασύγχρονης μηχανής. Από την μέτρηση των κραδασμών της μηχανής προέκυψαν επιπλέον κραδασμοί που σχετίζονται με τη λειτουργία του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος της υποσύγχρονης Κασκάντε. Στο κεφάλαιο 5 εξετάζεται η δυνατότητα ανίχνευσης προβλημάτων στη λειτουργία ασύγχρονων μηχανών μέσω της ανάλυσης του ρεύματος αυτών. Για το σκοπό αυτό διερευνώνται αρχικά σε μια συγκριτική μελέτη διάφορες μέθοδοι ανάλυσης του ρεύματος του στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής. Οι μέθοδοι αυτοί συγκρίνονται όσον αφορά τη διάγνωση δύο χαρακτηριστικών σφαλμάτων σε ασύγχρονες μηχανές, που είναι η εκκεντρότητα ή/και αζυγοσταθμία, καθώς και η ύπαρξη ασυμμετρίας στο δρομέα της μηχανής. Τα δύο σφάλματα αυτά επιλέχθηκαν για τη συγκριτική μελέτη, διότι η φύση του προβλήματος από πλευράς επεξεργασίας σήματος παρουσιάζει μια σημαντική διαφορά. Τα πρώτα δημιουργούν αρμονικές συνιστώσες στο ρεύμα του στάτη, οι οποίες απέχουν αρκετά στο πεδίο της συχνότητας από τη βασική αρμονική. Τα δεύτερα προκαλούν αρμονικές συνιστώσες, των οποίων η συχνότητα βρίσκεται πάρα πολύ κοντά σε αυτή της βασικής αρμονικής του ρεύματος. Αρχικά περιγράφεται πώς γίνεται ο υπολογισμός των απαραίτητων πινάκων των επαγωγιμοτήτων και των ωμικών αντιστάσεων της ασύγχρονης μηχανής στο φυσικό σύστημα a-b-c στην περίπτωση εκκεντρότητας ή σφάλματος στο δρομέα, καθώς και το πώς εξομοιώθηκαν τα σφάλματα αυτά στην πειραματική διάταξη. Κατόπιν γίνεται μια σύντομη αναφορά σε μεθόδους επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των προαναφερθέντων σφαλμάτων. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα από την διερεύνηση των διαφόρων μεθόδων μέσω προσομοίωσης και πειράματος. Από τη διερεύνηση αυτή προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου και για τις εφαρμογές καθεμιάς εξ’ αυτών. Ιδιαίτερα μελετήθηκε μια μέθοδος που βασίζεται στο όρισμα του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίου ή/και του παραθυρικού μετασχηματισμού Fourier, η οποία αποδείχθηκε ότι υπό ορισμένες προϋποθέσεις πλεονεκτεί ως προς την καλύτερη ανίχνευση της συχνότητας και του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών στο ρεύμα της ασύγχρονης μηχανής και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και κατά τη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων λειτουργίας. Ακόμα προτάθηκε και διερευνήθηκε μια νέα βελτιωμένη μέθοδος για την ανίχνευση αρμονικών συνιστωσών, που βρίσκονται κοντά σε ισχυρές αρμονικές, η οποία βασίζεται στη συνέλιξη του σήματος του ρεύματος με το μιγαδικό κυματίδιο Morlet. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε για την περισσότερο αξιόπιστη ανίχνευση και την ακριβέστερη αποτίμηση σφαλμάτων στο δρομέα ασύγχρονων μηχανών, μέσω ανάλυσης του ρεύματος του στάτη. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται μια προκαταρκτική διερεύνηση σχετικά με τη δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή μέσω της ανάλυσης του ρεύματος του δρομέα. Προτείνονται μέθοδοι επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος του κυκλώματος του δρομέα ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρμονικές που προέρχονται από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, για να είναι ευκολότερη η ανίχνευση αρμονικών που οφείλονται σε σφάλματα στην ασύγχρονη μηχανή. Ακόμα, μελετούνται σφάλματα στον ηλεκτρονικό μετατροπέα, ήτοι ανοιχτοκυκλώματα και βραχυκυκλώματα στις διόδους του ανορθωτή, και το αν και πώς αυτά μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς τις ταλαντώσεις της ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Γίνεται διερεύνηση μέσω προσομοίωσης και πειράματος της συμπεριφοράς του συστήματος στην περίπτωση τέτοιου είδους σφαλμάτων. Στη συνέχεια, και αφού γίνεται μια σύντομη αναφορά και διερεύνηση μεθόδων για την ανίχνευση σφαλμάτων σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν, προτείνεται μια βελτιωμένη μέθοδος ανίχνευσης τέτοιου είδους σφαλμάτων η οποία βασίζεται στον υπολογισμό της γωνίας και της στιγμιαίας συχνότητας του διανύσματος χώρου του ρεύματος του δρομέα. Η μέθοδος αυτή δίνει την δυνατότητα άμεσης ανίχνευσης και τον ακριβούς εντοπισμού των σφαλμάτων στον μετατροπέα σε πραγματικό χρόνο. / In this thesis an investigation of the operation of an electric drive consisting of a slip ring asynchronous machine and a power electronic converter connected to the rotor circuit is carried out. This drive is referred to as “subsynchronous cascade drive” or “slip energy recovery drive” in the literature. The investigation is carried out via simulations in Matlab/Simulink of a 4 MW drive installed in a Greek cement industry and via experiments with a 5,5 kW drive in the laboratory. Furthermore, Motor Current Signature Analysis (MCSA) techniques for the detection and the accurate diagnosis of faults in asynchronous machines or/and power electronic converters are examined and novel improved approaches are proposed. The potential application of the analysis of the rotor current of the subsynchronous cascade drive for fault detection and diagnosis in the asynchronous machine or/and the power electronic converter is also investigated. In the beginning, simulations are carried out considering rigid shafts and rigid coupling between the motor and the mechanical load. The asynchronous machine has been modeled in a d-q-o reference frame referred to the rotor. Characteristic simulation results are presented and discussed. The general behaviour of the asynchronous machine electromagnetic quantities is analyzed and, furthermore, the cases that the slip has values at multiples of 1/6 are theoretically investigated and discussed. Additionally, the influence of the asynchronous machine speed, of the load torque characteristics and of the asynchronous machine parameters on the electromagnetic torque pulsations is examined. Afterwards, the equations of the mechanical part of the drive are formulated, considering a four-mass model and linearity of the mechanical coupling. A theoretical investigation of the torsional oscillations is carried out, and some general guidelines regarding the design of the mechanical part of the drive are discussed. Additionally, characteristic simulation results are presented and discussed. Then, the equations of the mechanical subsystem are reformulated taking into account the non-linearity of the coupling stiffness and characteristic simulation results are presented and discussed. The experimental investigation, using a 5,5 kW drive in the laboratory validates the conclusions drawn by the investigation via simulation, regarding the behaviour of the electromagnetic quantities of the asynchronous machine. In the experimental setup, sensors for all the electrical quantities have been used, as well as sensors for the measurement of the shaft torque (straingauge) and the lateral vibrations of the motor (accelerometer). The measurements taken by the straingauge have verified the pulsation of the shaft torque due to the presence of the rectifier in the rotor. The measurement of the asynchronous machine lateral vibrations has revealed the presence of harmonic components related to the operation of the rectifier in the rotor circuit. In the remainder of the thesis the application of Motor Current Signature Analysis techniques for fault detection and diagnosis in asynchronous machines and/or power electronic converters is examined. To this objective, a comparative investigation of different signal processing approaches is carried out for the diagnosis of two characteristic faults in asynchronous machines, namely eccentricity and/or mechanical imbalance as well as rotor fault. Derived from simulation and experimental results, the advantages and the disadvantages of each technique are presented and discussed in detail. Features and limitations of each one of the signal processing approaches are then compared in order to derive the most appropriate one, related to the operating conditions of the induction machine. Especially the phase method for the extraction of the ridges of the Continuous Wavelet Transform (CWT) and the Short-Time Fourier Transform (STFT) is examined, and it is proven that under certain conditions this method is advantageous for the detection of harmonic components related to the presence of faults. Furthermore, a novel approach has been proposed and investigated, for the detection of weak harmonic components that are close to the fundamental. The proposed approach is based on the convolution of the current signal with a complex wavelet and has been applied for the accurate diagnosis of rotor faults via analysis of the stator current. Finally, faults in the power electronic converter of the subsynchronous cascade drive are examined; specifically open circuits and short circuits in the rectifier’s diodes. The amplitude and the frequency of the electromagnetic torque pulsations which take place during these faulty conditions are investigated. A novel approach for the accurate diagnosis of this kind of faults is proposed and investigated via simulation and experiment. The proposed approach is based on monitoring the rotor current space vector angle and instantaneous frequency, in order to extract features which indicate the specific fault modes of operation.

Οι μετασχηματιστές αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας. Κατά συνέπεια, ο συνεχής έλεγχος της σωστής λειτουργίας, της απόδοσης, των καταπονήσεων και των απωλειών των μετασχηματιστών είναι ζωτικής σημασίας. Στην παρούσα διπλωματική, ύστερα από μια εκτενή αναφορά στους μετασχηματιστές και στα βασικά χαρακτηριστικά τους, επικεντρωνόμαστε στις απώλειες, την προστασία καθώς και το διαγνωστικό έλεγχο των μεγάλων μετασχηματιστών ελαίου. Τέλος αναφέρουμε, από τα δεδομένα και τα συμπεράσματα μας, ποια είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη διαγνωστική μέθοδος, καθώς και πως μπορεί να επιτευχθεί για μεγαλύτερη ασφάλεια και αξιοπιστία, σε συνδυασμό με χαμηλό κόστος. Κεφάλαιο 1: Αναφέρεται, αρχικά ο ρόλος των μετασχηματιστών, για την κατανόηση του περιγράφονται οι αρχές λειτουργίας και τα κατασκευαστικά του στοιχεία. Στην συνέχεια επικεντρωνόμαστε στην περίπτωση που η γραμμή μιας εκ των τριών φάσεων τροφοδοσίας του μετασχηματιστή διακόπτεται. Αναλύουμε τα διαδοχικά βήματα προσδιορισμού των τάσεων του δευτερεύοντος τυλίγματος και κατά συνέπεια τον προσδιορισμό της φάσης του πρωτεύοντος που δεν τροφοδοτείται με τάση. Κεφάλαιο 2: Αναφέρονται οι απώλειες και τα προβλήματα των μετασχηματιστών που προκύπτουν εξαιτίας κάποιων σφαλμάτων κατά τη λειτουργία τους ή απλά με την πάροδο των ετών. Τονίζεται η σημασία της μόνωσης των μετασχηματιστών σε σχέση με τη λειτουργική τους κατάσταση και της διάρκειας ζωής τους. Κεφάλαιο 3: Παρατίθενται και αναλύονται οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι για την παρακολούθηση και τη διάγνωση σφαλμάτων στους μετασχηματιστές. / Transformers are very important elements of the power grid. Consequently, the continuous observation of their proper functioning, their attribution, and their losses is vital. In this thesis, following an extensive reference to transformers and basic features, losses, protection and diagnostic analysis of large oil transformer are emphasized. Finally, we approached, according to our data and our conclusions, the most commonly used diagnostic method, in order to achieve security and reliability in combination with low cost. Chapter 1: firstly, we mentioned the role of transformers, in order to understand that, we described their operating principles and their component parts. Then we focused if one line of the three phases of AC power, being interrupted. We analyzed the successive steps to determine the voltages of the secondary windings and thus determine the phase of the primary windings which aren’t under voltage. Chapter 2: there are listed the transformer's losses and problems because of the errors, during their operation or just because of the normal aging. Stressed the importance of transformers’ isolation, in relation to their functional status and the duration of their life. Chapter 3: Listed and analyzed the most common methods for observation and fault diagnosis in transformers.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με το θέμα της μελέτης και διάγνωσης σφαλμάτων λόγω δυναμικής εκκεντρότητας σε Ασύγχρονη Μηχανή. Μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία ενός τριφασικού ασύγχρονου τετραπολικού κινητήρα κλωβού, ισχύος 4 kW με 36 αυλακώσεις στο στάτη και 28 αυλακώσεις στο δρομέα, τόσο σε υγιή κατάσταση όσο και υπό συνθήκες σφάλματος. Πιο συγκεκριμένα, με χρήση της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων σε δύο διαστάσεις μέσω του προγράμματος Opera, προσομοιώθηκε η λειτουργία του κινητήρα μας υπό δύο διαφορετικά ποσοστά σφάλματος, για 20% και για 40% και εφαρμόστηκε η μέθοδος της “Motor Current Signature Analysis - MCSA” για τη διάγνωση του σφάλματος αυτού υπό διαφορετικά επίπεδα φορτίου. / In this paper we addressed the issue of diagnostic research due to dynamic eccentricity related faults in Induction Machines. We modeled and analyzed the function of a three-phase quadrupole induction motor with a cage rotor with 36 stator slots and 28 rotor slots, both in healthy condition and under fault conditions. More specifically, using the finite element method in two dimensions through the "Opera" software, we simulated our motor operation under our two different error rates for 20% and 40% and subsequently we used the "Motor Current Signature Analysis - MCSA" diagnostic method for the diagnosis of this error under different load levels.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα που αποτελούνται από ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος στο στάτη αυτής. Εστιάστηκε κυρίως στον εντοπισμό των σφαλμάτων του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής μέσω της ανάλυσης των ρευμάτων του αντιστροφέα σε μόνιμες και μεταβατικές καταστάσεις του κινητηρίου συστήματος. Προτάθηκε μέθοδος εντοπισμού των σφαλμάτων αναλύοντας το ρεύμα του στάτη της μηχανής χρησιμοποιώντας το Συνεχή Μετασχηματισμό με κυματίδια για μεταβαλλόμενες τιμές του μηχανικού φορτίου ή της συχνότητας λειτουργίας του αντιστροφέα. Μελετήθηκε το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος στον κλάδο συνεχούς ρεύματος του αντιστροφέα για αρμονικές συνιστώσες λόγω σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή και προτάθηκε μέθοδος ανίχνευσης σφαλμάτων με ανάλυση του ρεύματος αυτού. Επιπλέον, προτάθηκε άλλη μια μέθοδος διάγνωσης των σφαλμάτων που βασίζεται στη διαμόρφωση κατά πλάτος των ρευμάτων του στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του κινητηρίου συστήματος και των πειραμάτων στο Εργαστήριο επιβεβαιώνουν την ικανότητα των προτεινόμενων μεθόδων ως προς τη διάγνωση των σφαλμάτων. / This thesis deals with the development of novel methods for fault diagnosis in electric drive systems consisting of squirrel cage asynchronous motor and power electronic converters. It is focused mainly on identifying faults in the asynchronous machine by analyzing the currents of the inverter in steady state and transient operation. The Continuous Wavelet Transform (CWT) of motor stator current has been proposed for successful motor fault diagnosis during changing values of the mechanical load or the operating frequency of the voltage source inverter. Furthermore, the harmonic content of the inverter dc link current has been studied for harmonic components due to faults in the asynchronous machine and a novel diagnostic method has been proposed. In addition, another method based on the amplitude modulation of the stator currents has been investigated. The proposed methods have been validated by simulation and experimental results.

Mέσα στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής προσεγγίστηκε μια νεα τεχνική για τη διάγνωση σφαλμάτων τετράχρονης μηχανής. Αυτή η τεχνική βασίζεται πάνω σε πιεζοηλεκτρικά υλικά και αισθητήρες και υλοποιεί την ικανότητά τους να μετατρέπουν μηχανική τάση ή πίεση σε ηλεκτρική τάση. Αυτοί οι αισθητήρες τοποθετούνται πάνω στη μηχανή και το παραγόμενο σήμα δειγματοληπτείται και περνά απο μια επεξεργασία με σκοπό την αποκόμιση μιας διάγνωσης για την κατάσταση στην οποία βρίσκεται η μηχανή αλλά και για τη συνεχή παρακολούθηση αυτής. Κατα την εκπόνηση της διπλωματικής, διαφορετικές τεχνικές για την εύρεση σφαλμάτων μηχανής χρησιμοποιούνται και προσεγγίζονται διαφορετικοί αλγόριθμοι δειγματοληψίας και επεξεργασίας με σκοπό να εξασφαλισθεί ο πιο αποδοτικός για την εφαρμογή αυτή. Ακόμα, η χρήση και οι ικανότητες των σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων ερευνώνται και πιο συγκεκριμμένα του μικροεπεξεργαστή της Analog, τον ADuC7020, πάνω στον οποίο βασίζεται και η διπλωματική αυτή, για την υλοποίηση της συσκευής εντοπισμού σφαλμάτων και τον προγραμματισμό αυτής. Κατα την φάση της εξομοίωσης, ένα ημιτονοειδές σήμα χρησιμοποιήθηκε για την προσέγγιση του ήχου της μηχανής. Στο στάδιο της επεξεργασίας του σήματος χρησιμοποιήθηκε ψηφιακό φίλτρο πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης (FIR) και τροποποιημένος αλγόριθμος DFT για τη δειγματοληψία και την επεξεργασία του ψηφικοποιημένου σήματος αλλά και για την αναγνώριση της συχνότητας. Πιο συγκεκριμένα, υλοποιήθηκε ο βελτιστοποιημένος αλγόριθμος Goertzel ο οποίος προτιμήθηκε για την επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων. Τέλος, υλοποιήθηκε και η τεχνική της υπερδειγματοληψίας για την επίτευξη μεγαλύτερης ακρίβειας. Ο προγραμματισμός έγινε σε γλώσσα C και το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν το μVision4 της Keil. / At the present thesis we examine the automatic fault detection in petrol engines using piezoelectric sensors in embedded systems.

Οι μετασχηματιστές ισχύος αποτελούν τα κρισιμότερα στοιχεία ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας από την άποψη κόστους, χρησιμότητας και επικινδυνότητας. Επομένως είναι ιδιαίτερα σημαντικός ο έλεγχος της υγείας των μετασχηματιστών και της λειτουργικής τους ικανότητας. Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με το διαγνωστικό έλεγχο των μεγάλων μετασχηματιστών ελαίου. Για το σκοπό αυτό θεωρείται αναγκαίο να γίνει πρώτα μία αναλυτική αναφορά στους μετασχηματιστές και στις ιδιότητές τους. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη εισαγωγή σχετική με τα Σ.Η.Ε. ώστε να καταστεί σαφής ο ρόλος των μετασχηματιστών σε αυτά. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται λεπτομερώς οι αρχές λειτουργίας και τα κατασκευαστικά στοιχεία των μετασχηματιστών καθώς και τα προβλήματα που προκύπτουν σε αυτούς εξαιτίας της λειτουργίας τους ή από την πάροδο των ετών. Το κεφάλαιο 3 ασχολείται με τη λειτουργική κατάσταση και τη διάρκεια ζωής των μετασχηματιστών και την εξάρτησή τους από την κατάσταση της μόνωσης. Στο κεφάλαιο 4 παρατίθενται όλες οι κλασικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση και τη διάγνωση σφαλμάτων στους μετασχηματιστές. Επίσης περιγράφονται η κατάταξη των μετασχηματιστών ανάλογα με την ικανότητά τους να παραμείνουν σε λειτουργία και η ένταξη της παρακολούθησής τους στον έλεγχο του συστήματος. Το κεφάλαιο 5 επικεντρώνεται στη μέθοδο Duval, μία μέθοδο διάγνωσης που συγκαταλέγεται στην κατηγορία των Χημικών Μεθόδων και ειδικότερα της Ανάλυσης των Διαλυμένων Αερίων στο λάδι. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται η περιγραφή της μεθόδου και η παράθεση του προγράμματος που εφαρμόζει τη μέθοδο. Τα παραρτήματα αποσαφηνίζουν κάποιες λεπτομέρειες σχετικές με τη μέθοδο Duval, χρήσιμες για την κατάστρωση του κώδικα. / Power transformers are the most critical components of an Electric Power System (E.P.S.) as far as their cost, usefulness and level of risk are concerned. Therefore their maintenance as well as their health and ability to stay in service check are of great importance. This thesis deals with the diagnostics of large oil immersed transformers. Consequently it is considered necessary to begin with a detailed description of power transformers and their attributes. In Chapter 1 a short introduction of E.P.S. is taking place in order to clarify the role of power transformers in them. In Chapter 2 the principles of operation, the manufacturing elements as well as the malfunctions that occur in a transformer because of their use or in the course of time are described in detail . Chapter 3 deals with the operation condition, life-span and the dependency of a transformer on the insulation system condition. In Chapter 4 all the common used techniques for condition monitoring and fault diagnosis of a transformer are displayed. Furthermore the order of the transformers depending on their ability to maintain in operative condition is described as well as the incorporation of their monitoring in the system inspection. Chapter 5 is focused on the Duval method which is a chemical method for fault diagnosis and more specifically a dissolved gas analysis. In this chapter the Duval method is described in detail along with the description of the program that uses this method. The adjuncts clarify some details regarding the Duval method which are necessary for the comprehension of the program.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη λειτουργική συμπεριφορά μιας σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους κατά τη διάρκεια δύο ειδών σφαλμάτων, τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω, για τις δύο συνθήκες σύνδεσης μίας σύγχρονης γεννήτριας με το δίκτυο. Ειδικότερα, μελετήθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης της σύγχρονης μηχανής όταν είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο και είτε ο αριθμός στροφών αυτής διατηρείται απόλυτα σταθερός, είτε ένας ελεγκτής τη συγκρατεί στο σύγχρονο αριθμό στροφών. Ακόμη διερευνήθηκε η περίπτωση εσωτερικού σφάλματος στο τύλιγμα του στάτη για τις δύο προαναφερθείσες περιπτώσεις. Υπολογίστηκαν και μελετήθηκαν η ηλεκτρομαγνητική ροπή και η μαγνητική επαγωγή κατά τη διάρκεια κάθε φαινομένου, καθώς επίσης τα ρεύματα σε δρομέα και στάτη συμπεριλαμβανομένων των ρευμάτων στον κλωβό απόσβεσης και του ρεύματος βραχυκύκλωσης σε τμήματα του τυλίγματος του στάτη. Αρχικά, περιγράφεται αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο μοντελοποιήθηκε η σύγχρονη γεννήτρια με έκτυπους πόλους, ενώ παράλληλα αναλύεται η μέθοδος με την οποία μοντελοποιήθηκαν τα σφάλματα σε στάτη και δρομέα και ο τρόπος με τον οποίο προσομοιώθηκε στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ο παραλληλισμός της μηχανής στο δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στον τρόπο με τον οποίο ορίζονται οι περιοχές του μοντέλου, οι εξισώσεις που επιλύει το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων, ο ορισμός των οριακών συνθηκών και τέλος περιγράφεται η εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένου στοιχείων που εφαρμόσθηκε στο συγκεκριμένο μοντέλο. Έπειτα προσομοιώθηκε η περίπτωση βραχυκυκλώματος στην τροφοδοσία του τυλίγματος διέγερσης, καθώς ο στάτης της σύγχρονης μηχανής είναι συνδεδεμένος σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Κατά τη διάρκεια του σφάλματος πραγματοποιείται λεπτομερής καταγραφή της μαγνητικής επαγωγής και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, καθώς και όλων των ρευμάτων στο τύλιγμα στάτη και δρομέα. Προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά της μηχανής σε όλη τη διάρκεια του σφάλματος και καταγράφονται τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη και γίνεται αξιολόγηση της συμπεριφοράς της κατά τη διάρκεια αυτού του μεταβατικού φαινομένου. Ακόμη, εξετάζεται η ίδια περίπτωση σφάλματος στο τύλιγμα διέγερσης, αλλά ο αριθμός στροφών του δρομέα διατηρείται σταθερός μέσω ενός ελεγκτή στροφών. Παρατηρείται ότι η συμπεριφορά της μηχανής αλλά και όλα τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη αυτής είναι τελείως διαφορετικά συγκρινόμενα με την προηγούμενη περίπτωση. Στη συνέχεια αυτής της διδακτορικής διατριβής εξετάζεται η συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση εσωτερικού βραχυκυκλώματος στο τύλιγμα του στάτη, καθώς είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με το δρομέα να στρέφεται με σταθερό αριθμό στροφών. Αναλυτικότερα, μελετώνται τα ρεύματα στο τύλιγμα του δρομέα καθώς και στο τύλιγμα του στάτη για βραχυκύκλωμα μεταξύ σπειρών που ανήκουν σε ίδια ή διαφορετική φάση. Υπολογίζεται το ρεύμα βραχυκύκλωσης και μελετάται ο τρόπος που επηρεάζει τα φασικά ρεύματα του στάτη τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά. Επίσης, αναλύονται τα ρεύματα στον κλωβό απόσβεσης και μελετάται η συμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια του βραχυκυκλώματος. Η εισαγωγή ελέγχου στροφών μεταβάλει τη συμπεριφορά της σύγχρονης γεννήτριας και υπολογίζονται αναλυτικά τα ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη της σύγχρονης μηχανής προκύπτοντας συμπεράσματα για τον τρόπο με τον οποίο το βραχυκυκλωμένο τύλιγμα επηρεάζει τα μεγέθη αυτά, ενώ παράλληλα καθορίζεται ο ρόλος που έχουν οι φάσεις που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. Τέλος, γίνεται μια σύντομη σύγκριση για το πόσο επηρεάζει ο αριθμός σπειρών τη συμπεριφορά της σύγχρονης μηχανής στην περίπτωση σφάλματος στο στάτη κατά την περίπτωση κατά την οποία η μηχανή είναι συνδεδεμένη σε ισχυρό δίκτυο με σταθερό τον αριθμό στροφών του δρομέα. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται τα ρεύματα σε στάτη και δρομέα καθώς και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, για τις περιπτώσεις που οι βραχυκυκλωμένες σπείρες ανήκουν στην ίδια και διαφορετική φάση αλλά με διαφορετικό αριθμό βραχυκυκλωμένων σπειρών για κάθε περίπτωση. Προκύπτει το συμπέρασμα ότι καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών κατά τη διάρκεια του σφάλματος έχει ο αριθμός των βραχυκυκλωμένων σπειρών, ανεξάρτητα από τον αριθμό των φάσεων που συμμετέχουν στο βραχυκύκλωμα. / This thesis deals with the functional behavior of a salient pole synchronous generator during two kinds of short-circuits. In particular, we studied the case of short circuit in the supply of the excitation winding of the synchronous machine when it is connected to an infinite bus and either the rotor speed was absolutely constant, or a simple PI- Controller maintained the synchronous speed equal to the synchronous. Additionally, the case of an internal fault in the stator winding for the two cases mentioned above was investigated. The electromagnetic torque and the magnetic flux density in each case were calculated and studied, as well as the stator and rotor currents, including the damper cage, and the short-circuit current in the faulty loop of the stator winding. Firstly, it is described in detail the way in which the salient pole synchronous generator was modeled and it is analyzed the method by which the faults are modeled in both stator and rotor and the way these faults were simulated, in the finite element program. Additionally, it is presented the way in how the areas of the model are defined, the equations that were solved through finite element software, in order to extract the results, the definition of the boundary conditions and finally it is described the finite element method, which was applied to this specific model. The case of a short circuit in the supply of the field winding while the stator of the synchronous machine is connected to the grid and the rotor speed is held constant and equal to the synchronous one, is examined. During this fault the magnetic flux, the electromagnetic torque and all the stator and rotor currents are measured in detail. Useful conclusions about the behavior of the machine throughout this kind of short-circuit were derived, all the electromagnetic magnitudes were recorded and an assessment of the generator behavior during this transient phenomenon is made. Similarly, the same type of fault is analyzed, but the speed of the rotor is maintained constant through a speed controller. It is observed that the behavior of the machine and all the electromagnetic magnitudes are quite different compared to the previous case. In this dissertation is examined the behavior of the hydrogenerator in the case of an inter-turn short circuit in the stator winding, while it is connected to the grid with a constant rotor speed. Specifically, it is examined the currents in the rotor and the stator winding for a short circuit between turns that belong to the same or to different phases. The short circuit current is calculated and it is presented the way that it affects quantitative and qualitative the stator phase currents. It is also analyzed the damper currents and it is studied their behavior during the short circuit. The speed controller alters the behavior of the synchronous generator and all the electromagnetic magnitudes of this machine are analytically calculated, resulting significant conclusions on how the faulty loop affects these quantities, while it is set out the role of the participating phases in this short-circuit. Finally, a brief comparison of the way that the number of the shorted turns affects the behavior of the simulated machine in the case of an inter-turn stator fault, while it is connected to the grid with a fixed number of the rotor revolutions. Specifically, it is analyzed the stator and rotor currents and the electromagnetic torque, for the cases that the short-circuited turns belong either to the same or to different phases, but with different number of shorted turns. It is concluded that a key role in determining the electromagnetic magnitudes during this fault has the number of the short-circuited turns and not the number of the phases that are involved in the short circuit.

Το κεφάλαιο 1 αποτελεί εισαγωγή του αναγνώστη σε θέματα που αφορούν τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα. Αρχικά πραγματοποιείται μια σύντομη ιστορική αναδρομή και περιγραφή της εξέλιξης αυτών, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι θεματικές ενότητες που αποτελούν τη συμβολή της παρούσας διατριβής όπως ο έλεγχος των κινητήριων συστημάτων και η διάγνωση σφαλμάτων σε αυτά. Τέλος, υπογραμμίζονται οι στόχοι που ορίστηκαν και εκπληρώνονται στο πλαίσιο της εργασίας αυτής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική περιγραφή των σταδίων παραγωγής τσιμέντου, παρουσιάζεται η χαρακτηριστική ροπής-στροφών του κλιβάνου με βάση τη διαθέσιμη βιβλιογραφία, αναλύονται λεπτομερώς οι τοπολογίες συστημάτων μετάδοσης που εγκαθίστανται σε κλιβάνους μικρής και μεγάλης παραγωγικής δύναμης, αναδεικνύονται οι προδιαγραφές που υφίστανται κατά την επιλογή των ηλεκτρικών κινητήριων μηχανών και τέλος τονίζονται οι απαιτήσεις του ελέγχου των κινητήριων μηχανών, έτσι όπως τίθενται από τη βιομηχανία τσιμέντου. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος και το οποίο απαρτίζεται από τα επιμέρους μοντέλα του κλιβάνου, του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών, των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος καθώς και του ελέγχου των κινητήριων μηχανών. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται τα υποσυστήματα του υπό κλίμακα συστήματος με σκοπό την εξομοίωση, που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο με στόχο την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται λεπτομερής αναφορά στις υφιστάμενες τεχνικές ελέγχου των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών και στις εφαρμογές αυτών σε μονά και διπλά κινητήρια συστήματα. Στη συνέχεια πραγματοποιείται σύγκριση δύο εκ των επικρατέστερων μεθόδων ελέγχου διπλών κινητήριων συστημάτων και παρουσιάζονται ενδεχόμενες δυσλειτουργίες αυτών λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση του συστήματος και τα οποία πιστοποιούνται μέσω της πειραματικής διαδικασίας αλλά και της διαθέσιμης βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια προτείνεται ένας καινοτόμος υβριδικός έλεγχος που, όπως αποδεικνύεται μέσω προσομοίωσης αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων, αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις προαναφερθείσες δυσλειτουργίες οδηγώντας σε ομαλή λειτουργία του συστήματος. Στο κεφάλαιο 6 προτείνεται, αντί των υφιστάμενων μεθόδων που περιλαμβάνουν την εγκατάσταση επιταχυνσιομέτρων, τη χρήση ακουστικών σημάτων και άλλων παρόμοιων μεθόδων, η χρήση της ηλεκτρικής κινητήριας μηχανής (τριφασικής ασύγχρονης μηχανής στην προκειμένη περίπτωση) ως αισθητήριο μέσο για τη διάγνωση μηχανολογικών σφαλμάτων στις οδοντώσεις γραναζιών. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδραση των εν λόγω σφαλμάτων στο φάσμα συχνοτήτων του φασικού ρεύματος και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής, αποδεικνύεται η δυνατότητα διάγνωσης του σφάλματος ανιχνεύοντας την ύπαρξη πολλαπλών αρμονικών στο φάσμα τόσο του φασικού ρεύματος όσο και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Στο κεφάλαιο 7 γίνεται μια εκτίμηση σε ό,τι αφορά τη συμβολή της διδακτορικής διατριβής, το κεφάλαιο 8 περιλαμβάνει μία ανά κεφάλαιο περίληψη της παρούσας διατριβής ενώ το κεφάλαιο 9 περιέχει τη διαθέσιμη βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία κατά τη σειρά αναφοράς της στο κείμενο. / This thesis deals with the modeling, the control and the diagnosis of mechanical faults in a dual ac drive with common mechanical load. Chapter 1 constitutes an introduction of the reader to the electrical drive systems. Initially, a short historical retrospection of these systems is realized, while afterwards the thematic units that constitute the contributions of the present thesis, which can be summarized as the control of a dual cement kiln drive and the diagnosis of mechanical gear faults using the ac motor as a sensor, are presented. In chapter 2 the specifications and the operational characteristics of the kiln drive system are presented based on the industrial requirements and the existing references. Particularly the torque – speed characteristic load curve of the kiln, the advantages of upgrading the dc drives with ac ones, the parameters which determine the decision of installing a single or a dual transmission system and the need of uninterrupted operation of the kiln drive are underlined. In addition the step by step development of a simulating model of the under study system in the Matlab/Simulink environment is presented in chapter 3. Particularly the equations of motion for the kiln and the transmission system, the dynamic model equations of the asynchronous motor, the power electronics converters and the control strategy based on the Direct Torque Control have been incorporated in the Matlab/Simulink environment through which a theoretical investigation is realized. Moreover, the design and the development of an under scale laboratory simulating system of the kiln drive has been realized and the characteristics of the design specifications of the laboratory system are presented in chapter 4. Using the theoretical model developed in the Matlab/Simulink environment and the laboratory simulating system, a comparison of the existing control methods used for the electric drive systems (speed control and torque control) is being presented (chapter 5), focusing at specific malfunctions which can be caused by the application of these controls at a dual cement kiln drive. Taking into account these malfunctions, a novel hybrid control method is being presented whose operation is based on the application of a parallel-hybrid speed and torque control, simultaneously at both electric motors. In this way an equal load distribution can be achieved, obviating at the same the appearance of mechanical malfunctions. In chapter 6, the fault diagnosis of electromechanical drives is referenced, focusing on the identification of mechanical faults appeared in the pinion/girth gear coupling using the ac motor as a sensor. The proposed diagnostic method is based on the detection of multiples of the defective frequency at both phase current and electromagnetic torque frequency spectrum. The effectiveness of the proposed method is verified using experimental results from the laboratory simulating system, operating as a single drive. Finally, chapter 7, 8 and 9 include an estimation of the thesis contribution, a summary and the reference part respectively.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της λειτουργίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας μήτρας (matrix converters) και, ειδικότερα, των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας με τρία σκέλη αποτελείται από 18 τρανζίστορ ισχύος και 18 διόδους ισχύος και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μίας τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του, με δυνατότητες ρύθμισης του πλάτους και της συχνότητας της τάσης εξόδου, διαμόρφωσης του ρεύματος εισόδου, ρύθμισης του συντελεστή ισχύος στην είσοδο και αμφίδρομης ροής ισχύος. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε ένα στάδιο, χωρίς ενδιάμεσο στάδιο συνεχούς τάσης (ή συνεχούς ρεύματος), με αποτέλεσμα την αποφυγή χρήσης πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας και πηνίων μεγάλης επαγωγιμότητας. Οι μετατροπείς τοπολογίας μήτρας χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης, υψηλές πυκνότητες ισχύος και πολύ μεγάλους λόγους ισχύος προς μάζα, ενώ το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου και του ρεύματος εισόδου αυτών είναι μικρό. Η πολυπλοκότητα αυτών των μετατροπέων είναι υψηλή και η δυσκολία υλοποίησής τους σημαντική. Η διερεύνηση των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εστιάστηκε κυρίως στην ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος που συμβαίνουν στο μετατροπέα, καθώς και στην ανάπτυξη μεθόδων παλμοδότησης αυτών που βασίζονται στη χρήση φορέα για την κανονική και επανορθωτική τους λειτουργία. Η διατριβή αυτή περιλαμβάνει οκτώ κεφάλαια, το περιεχόμενο των οποίων περιγράφεται ακολούθως. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στους στόχους και τη διάρθρωση της παρούσας διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή και η σύγκριση διαφόρων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας, καθώς και η περιγραφή των συμβατικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την ίδια μετατροπή τάσης και η σύγκριση τους με τις δύο βασικότερες παραλλαγές των μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για τον έλεγχο του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Συγκεκριμένα, περιγράφονται και συγκρίνονται διάφορες μέθοδοι παλμοδότησης που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς, καθώς και οι βασικότερες μέθοδοι μετάβασης του ρεύματος. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή μίας νέας μεθόδου παλμοδότησης με τη χρήση φορέα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και οδηγεί σε μειωμένες διακοπτικές απώλειες για χρήση στην περίπτωση που ο επιθυμητός λόγος μεταφοράς τάσης είναι μικρότερος ή ίσος του 50%. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας που σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και τα υπόλοιπα στοιχεία της πειραματικής διάταξης. Επιπρόσθετα, παρατίθενται ορισμένα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών που αφορούν τη λειτουργία επιμέρους τμημάτων του μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικώς, γίνεται μία σύντομη περιγραφή του μοντέλου του υπό μελέτη συστήματος στο περιβάλλον του λογισμικού Matlab/Simulink, παρατίθενται οι τιμές διαφόρων παραμέτρων αυτού και παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Επιπρόσθετα, περιγράφεται μία μέθοδος διανυσματικού ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής μίας ασύγχρονης μηχανής τροφοδοτούμενης από άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται τα πιθανά σφάλματα στον άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος και εντοπισμού ανοικτοκυκλωμένων τρανζίστορ σε αυτόν το μετατροπέα που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Περιγράφονται, επίσης, ορισμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και στοιχεία της θεωρίας των ασαφών έμπειρων συστημάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται στις μεθόδους διάγνωσης που προτάθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφονται τοπολογίες και μέθοδοι παλμοδότησης για την επανορθωτική λειτουργία κινητηρίων συστημάτων με άμεσους μετατροπείς τοπολογίας μήτρας μετά την εμφάνιση σφαλμάτων στο μετατροπέα. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή δύο μεθόδων παλμοδότησης με χρήση φορέα για την επανορθωτική λειτουργία του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας μετά από ένα σφάλμα ανοικτοκυκλώματος, μία για το μετατροπέα με πρόσθετο (τέταρτο) σκέλος και μία για το μετατροπέα χωρίς πρόσθετα στοιχεία, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην έρευνα σχετικά με τους Μ.Τ.Μ., ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον. / This thesis was focused on the research in the matrix converters domain and, particularly, in direct matrix converters. The 3-leg direct matrix converter consists of 18 power transistors and 18 power diodes and is used for the conversion of a three-phase AC voltage to a three-phase AC voltage of variable amplitude and variable frequency. This topology is also capable of modulating the input current and adjusting the input power factor, whereas bidirectional power flow is allowed. This conversion is achieved in one stage with the direct connection of the input phases with the output phases, without using an intermediate DC link stage, resulting in elimination of the use of large capacitors and large inductors. The use of the matrix topology in power converters results in high efficiency, high power density and very high power-to-mass ratio, whereas the harmonic distortion of the output voltage and the input current is low. The complexity of the matrix converters is high resulting in significant implementation effort. In this thesis, the research in direct matrix converters was focused mainly on the development of diagnosis methods for open-circuit faults that arise in the matrix topology, as well as the development of carrier-based modulation methods for the normal and remedial operation of these converters. This thesis contains eight chapters, the content of which is described below. In Chapter 1 an introduction and a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction to the AC-AC power converters used for the modulation of an output voltage of variable amplitude and variable frequency is provided. A description and a comparison of various matrix converter topologies, a description of the conventional topologies used for the same voltage conversion and a comparison of the latter with the two most popular matrix topologies are included in this chapter. In Chapter 3 the methods required for the control of the direct matrix converter are presented. In detail, various modulation methods are described and compared and the most significant commutation methods are presented. In this chapter a novel carrier-based modulation method that was proposed in this work is also described which results in reduced switching losses for use in cases that the required voltage transfer ratio is up to 50%. In Chapter 4 the direct matrix converter that was designed and constructed in this work is presented and other parts of the experimental setup are described. Additionally, some experimental results related to the operation of matrix converter parts are provided. In Chapter 5 a brief description of the studied system’s model that was created using the Matlab/Simulink software is provided, the value of various parameters of this model is given and simulation results of the normal (healthy) operation of the matrix converter are presented and commented. Additionally, a vector control method for the speed control of an induction machine fed by a matrix converter is described and simulation results of its operation are demonstrated. Finally, experimental results of the normal operation of the matrix converter are presented and commented. In Chapter 6 the possible faults in direct matrix converters are studied and the methods to detect open-circuit faults and the open-circuited transistors localization method that were developed in this work are presented. Additionally, a description of signal processing methods and the basic theory of fuzzy inference systems, which are used by the proposed diagnosis methods, are included. In Chapter 7 topologies and modulation methods used for the remedial operation of the direct matrix converter after the occurrence of a fault are presented. In this chapter two carrier-based modulation methods for the remedial operation of the direct matrix converter after an open-circuit fault occurrence that were developed in this work are also described, one for the case of using a redundant (fourth) leg and one for the case of not using any redundant switches. In Chapter 8 the contribution of this thesis to the research in the matrix converters domain is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are provided.